(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明基板上に露光光を遮光する遮光膜でマスクパターンを形成したバイナリ型のフォトマスクを用いて、瞳フィルタを用いた変形照明により液浸露光して、前記フォトマスクが有するマスクパターンをウェハ上に縮小転写する転写方法であって、
ＡｒＦエキシマレーザを露光光源とし、露光光の波長をλ、投影レンズの開口数をＮＡ、ウェハ上に転写される最小のパターン寸法をＲ、定数をｋ1としたときに、
Ｒ＝ｋ1・λ／ＮＡ
の関係が成り立ち、前記ｋ1が０．５４５以下であり、
前記フォトマスクが有するマスクパターンのエッジの形状がテーパー状に形成されており、前記エッジのテーパー角θが、２５度≦θ≦６３度の範囲内であり、
前記マスクパターンによる回折光のＸ方向の０次光の光強度をＡ0th(X)2、１次光の光強度をＡ1th(X)2、回折光のＹ方向の０次光の光強度をＡ0th(Y)2とした場合に、
（Ａ0th(X)2＋Ａ1th(X)2）／Ａ0th(Y)2＞１
を満たすことを特徴とする転写方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子のパターン形成に用いられるフォトリソグラフィ技術に使用されるフォトマスク、特に、高ＮＡ露光装置を使用し、フォトマスクパターンをウェハ上に縮小転写するハーフピッチ（ｈｐとも表記し、本明細書においては、ｈｐは全てウェハ上の寸法にて示す。）４５ｎｍノード以下のデザインルールを用いたフォトリソグラフィ技術に用いられるフォトマスクを用いた転写方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子の高集積化・微細化は、デザインルール４５ｎｍノードから３２ｎｍノードへと進展し、さらに２２ｎｍノードの半導体素子の開発が進められている。これらのハーフピッチ４５ｎｍ以下の半導体素子の高集積化・微細化を実現するために、現在、露光波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザを用いた光学式の投影露光装置により、フォトマスクを用いてウェハ上にパターン転写するフォトリソグラフィ技術が行なわれている。フォトリソグラフィ技術においては、露光装置での高解像技術として、投影レンズの開口数（ＮＡ）を高くした高ＮＡ露光技術、投影レンズと露光対象の間に高屈折率媒体を介在させて露光を行なう液浸露光技術、変形照明搭載露光技術などの開発、実用化が急速に進められている。
【０００３】
フォトリソグラフィ技術においては、投影露光装置で転写できる最小の寸法（解像度）Ｒは、以下の数式（１）に示されるように、露光に用いる光の波長λに比例し、投影光学系のレンズの開口数（ＮＡ）に反比例するため、半導体素子の微細化への要求に伴い、露光光の短波長化及び投影光学系の高ＮＡ化が進んでいるが、短波長化及び高ＮＡ化だけでこの要求を満足するには限界となっている。ｋ1はプロセスに依存する定数（プロセス定数とも言う。）である。
【数１】
0005668356.tif 000002
【０００４】
そこで解像度を上げるために、定数ｋ1（ｋ1＝解像線幅×レンズの開口数／露光波長）の値を小さくすることによって微細化を図る超解像技術が近年提案されている。このような超解像技術として、露光光学系の特性に応じてマスクパターンに補助パターンや線幅オフセットを与えてマスクパターンを最適化する方法、あるいは変形照明法（斜入射照明法とも称する。）と呼ばれる方法などがある。変形照明法には、通常、瞳フィルタを用いた輪帯照明、二重極（ダイポール：Ｄｉｐｏｌｅとも称する。）の瞳フィルタを用いた二重極照明および四重極（クォードラポール：Ｃｑｕａｄとも称する。）の瞳フィルタを用いた四重極照明などが用いられている。
【０００５】
一方、フォトリソグラフィ技術に用いられるフォトマスク（レチクルとも称する。）における解像度向上策としては、透明基板上にクロムなどで遮光膜を形成し、光を透過させる部分と遮光する部分でパターンを構成した従来のバイナリ型のフォトマスク（以後、バイナリマスクとも呼ぶ。）の微細化、高精度化とともに、光の干渉を利用した位相シフト効果により解像度向上を図るレベンソン型（渋谷・レベンソン型とも称する。）位相シフトマスク、光を透過させる部分と半透過させる部分で構成されたハーフトーン型位相シフトマスク、クロムなどの遮光層を設けないクロムレス型位相シフトマスクなどの位相シフトマスクの開発、実用化が進行している。上記の各種フォトマスクの中で、バイナリマスクは汎用性が高く使い易いマスクであり、微細化、高精度化に対応したマスクとしての開発が進められ、比較的安価なこともあり、現在でも広く使われている。
【０００６】
図１６は、従来のバイナリマスクの製造方法の一例を示す工程断面図である（特許文献１参照。）。図１６おいて、フォトマスクパターンの断面形状は、図１６（Ｄ）に示すように、従来から垂直な断面形状を有する矩形の状態が半導体リソグラフィの露光裕度の確保にはよいとされていた。露光裕度（ＥＬ：Ｅｘｐｏｓｕｒｅ  Ｌａｔｉｔｕｄｅ）は、フォトリソグラフィにおける露光量（ドーズ量）の変動に対する裕度を示す値であり、フォトレジスト膜によるレジストパターンの線幅寸法の変動量が所定の許容範囲内に入るような露光エネルギーの範囲である。露光裕度が大きければ、半導体素子製造のフォトリソグラフィ工程における歩留が向上することになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−２４４２７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、半導体素子のパターン寸法の微細化に伴い、特にハーフピッチ４５ｎｍノード以下のデザインルールを用いた露光波長１９３ｎｍの半導体のフォトリソグラフィにおいては、図１６に示すような従来の矩形断面形状を有するバイナリマスクパターンでは露光裕度が足りない状況が生じており、半導体素子製造のフォトリソグラフィ工程における歩留が低下するという問題が生じている。
【０００９】
そこで、本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、ウェハ上に微細パターン、特にハーフピッチ４５ｎｍ以下の微細パターンを形成するための半導体素子のフォトリソグラフィ工程において、露光裕度を向上させることができる転写方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するために、請求項１の発明に係る転写方法は、透明基板上に露光光を遮光する遮光膜でマスクパターンを形成したバイナリ型のフォトマスクを用いて、瞳フィルタを用いた変形照明により液浸露光して、前記フォトマスクが有するマスクパターンをウェハ上に縮小転写する転写方法であって、ＡｒＦエキシマレーザを露光光源とし、露光光の波長をλ、投影レンズの開口数をＮＡ、ウェハ上に転写される最小のパターン寸法をＲ、定数をｋ1としたときに、Ｒ＝ｋ1・λ／ＮＡの関係が成り立ち、前記ｋ1が０．５４５以下であり、前記フォトマスクが有するマスクパターンのエッジの形状がテーパー状に形成されており、前記エッジのテーパー角θが、２５度≦θ≦６３度の範囲内であり、前記マスクパターンによる回折光のＸ方向の０次光の光強度をＡ0th(X)2、１次光の光強度をＡ1th(X)2、回折光のＹ方向の０次光の光強度をＡ0th(Y)2とした場合に、（Ａ0th(X)2＋Ａ1th(X)2）／Ａ0th(Y)2＞１を満たすことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のバイナリ型のフォトマスクによれば、半導体素子の微細パターン、特にハーフピッチ４５ｎｍノード以下のデザインルールにおいて、フォトマスクパターンのエッジの断面形状に角度をつけることにより、半導体素子を作製するためのフォトリソグラフィ工程において、フォトマスクを通る光に対する射影効果を減らすことで露光裕度の向上が図れ、半導体素子のフォトリソグラフィ工程における歩留まり向上が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明のバイナリ型のフォトマスクの一例を示すマスクパターンの部分断面図である。
【図２】本発明のバイナリ型のフォトマスクと従来のバイナリ型のフォトマスクとを比較説明するためのマスクパターンの断面図である。
【図３】ラインバイアスを説明するためのマスクパターンの断面図である。
【図４】ピッチ８０ｎｍのとき、マスクパターンのテーパー角（ＳＷＡ）が９０°、６０°、３０°における定数ｋ1とＮＩＬＳとの関係を示す図である。
【図５】バイナリ型フォトマスクの断面形状にテーパー角度を付けたときのラインバイアスと露光裕度（ＮＩＬＳ）のシミュレーション結果を示す図である。
【図６】テーパー角（ＳＷＡ）θを変えたときの各々の角度におけるＮＩＬＳの最大値を比較した図である。
【図７】テーパー角（ＳＷＡ）θが９０°〜１０°、ラインバイアスが−２０ｎｍ〜４０ｎｍ（１倍）におけるＮＩＬＳの比較を示す図（２Ｄグラフ）である。
【図８】テーパー角（ＳＷＡ）θが９０°〜１０°、ラインバイアスが−２０ｎｍ〜４０ｎｍ（１倍）において、ＳＷＡ９０°におけるＮＩＬＳ最大値よりＮＩＬＳの値が大きい領域を示す図（２Ｄグラフ）である。
【図９】テーパー角（ＳＷＡ）θが、９０度、６０度、３０度におけるコントラストとラインバイアスとの関係を示す図である。
【図１０】本発明の一実施形態として、照明光学系に四重極（Ｃｑｕａｄ）の瞳フィルタを用いたときのマスクパターンにより生ずる回折光の模式図である。
【図１１】ウェハ上のパターンのコントラストの説明図である。
【図１２】テーパー角（ＳＷＡ）θを変えたとき、各回折光の振幅および位相差とコントラストの強度比を示す図である。
【図１３】ＳＷＡ９０度の値を基準とし、ＳＷＡ９０度、６０度、３０度における評価項目とコントラストを比較した図である。
【図１４】マスクパターンにおけるテーパー角（ＳＷＡ）θの効果の説明図である。
【図１５】本発明のバイナリ型フォトマスクの製造方法の一例を示す工程断面図である。
【図１６】従来のバイナリ型フォトマスクの製造方法を示す工程断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明者は、矩形断面形状を有する従来のバイナリマスクのパターンでは露光裕度が足りない原因を、半導体素子の微細化・高密度化が進むにつれて、フォトリソグラフィ技術におけるマスクパターンの転写画像の特性に、マスクパターンの立体構造が与える影響が大きくなり、マスクパターン端部が垂直であると、マスク基板面に垂直方向のマスクパターンの厚みによる立体的な影響のために、パターンの影を生じてしまい（射影効果と称する。）、従来のフォトマスクを透過率や位相で表現するモデルを用いた見積から、露光裕度の値が低下しているために問題が生じていると推察した。
【００２１】
半導体素子の微細化に伴い露光における高ＮＡ化が増すに従い、マスクに入射する照明光の入射光の角度が大きくなって斜入射光が用いられるようになり、例えばＮＡ０．９３でウェハ上のハーフピッチ６５ｎｍのパターン露光の場合には、入射光角度はせいぜい１０度であるが、ＮＡ１．３５でウェハ上のハーフピッチ４５ｎｍのパターン露光の場合には、入射光角度は約１５度になる。したがって、従来のマスクのように垂直入射光を前提としたマスクパターンでは最良な露光裕度を示さないと考え、本発明のバイナリマスクは、ｋ1が０．５４５以下であるフォトリソグラフィにおいて、特にウェハ上のハーフピッチ４５ｎｍ以下となるパターンにおいて、バイナリマスク断面のエッジのテーパー角を制御することにより、射影効果を低減することで半導体リソグラフィの露光裕度の向上を可能とするものである。バイナリマスクのマスクパターンのエッジ形状をテーパーとすることによる作用効果については後述する。
【００２２】
以下、図面に基づいて、本発明の実施形態に係るバイナリマスクについて、従来のバイナリマスクと比較しながら詳細に説明する。
【００２３】
図１は、本発明のバイナリ型のフォトマスクの一例を示すマスクパターンの部分断面図である。図１に示すように、透明基板１１上に遮光膜パターン１２が形成されたバイナリ型のフォトマスクである。本願発明のバイナリマスクは、遮光膜パターン１２のエッジの形状がテーパー角（ＳＷＡ：Ｓｉｄｅ  Ｗａｌｌ  Ａｎｇｌｅ：ＳＷＡと称しθで示す。）θでテーパー状に形成されており、透明基板１１上のパターン断面形状を台形状とするものである。遮光パターン１２の断面形状にテーパー角度をつけることで、上記の射影効果を低減し、矩形断面形状のパターンを有する従来のフォトマスクパターンより露光裕度を向上させることを可能とする。
【００２４】
本発明においては、マスク立体効果による露光裕度の影響の度合いを調べるために、露光裕度に相当するＮＩＬＳ（規格化像強度対数勾配：Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ  Ｉｍａｇｅ  Ｌｏｇ−Ｓｌｏｐｅ）を用いた。ＮＩＬＳは数式（２）で表される値で、ウェハ上のパターンのエッジ位置での光強度（自然対数）の傾きをパターン寸法で規格化したものである。ＣＤ（Ｃｒｉｔｉｃａｌ  Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ：重要寸法）はパターン寸法、Ｉは光強度、ｘは位置を示す。ＮＩＬＳはレジストパターンの露光裕度に比例する値であり、光学像の品質を判定する指標となっている。
【数２】
0005668356.tif 000003
【００２５】
ＮＩＬＳと露光裕度（ＥＬ（％））は数式（３）の一次関数で関連付けられる。なお、定数ａとｂはレジストプロセスなどによって変わる値である。数式（３）が示すように、露光裕度を向上させるには、ＮＩＬＳの値を大きくしなければならない。
【数３】
0005668356.tif 000004
【００２６】
ここで、図２を用いて、マスクパターンのエッジのテーパー角（ＳＷＡ）θについて説明する。図２（ａ）は従来のバイナリマスク２０ａのパターン断面図であり、図２（ｂ）は本発明のバイナリマスク２０ｂのパターン断面図である。図２（ａ）に示すように、従来のバイナリマスクの遮光膜パターン２２ａは断面が矩形状であり、エッジのテーパー角θは９０度をなす。一方、図２（ｂ）に示すように、本発明のバイナリマスクの遮光膜パターン２２ｂは断面が台形状であり、エッジのテーパー角θは２２．５度＜θ＜９０度の範囲の値をとるものであり、さらにより好ましくは、２５度≦θ≦６３度の範囲の値をとるものである。
【００２７】
次に、本発明におけるマスクパターンのラインバイアスについて、図３を用いて説明する。透明基板３１上の遮光膜パターン３２よりなるマスクパターンを設けたバイナリマスク３０において、ライン部の寸法（ラインＣＤ）の補正値であるラインバイアスｘ（ｎｍ）は、補正後の遮光膜パターン３３のライン部の寸法との差で示される。図３において、マスクは４倍体のレチクルの場合を示し、ラインＣＤはウェハ上の目標とする線幅寸法（ターゲットＣＤと称する）の４倍の数値を示す。図３において、ラインバイアス（ｘ）の値が＋の場合はラインＣＤが広がる方向であり、ｘの値が−の場合はラインＣＤが狭くなる方向を意味する。ただし、＋の場合には特に＋の表示はしていない。
【００２８】
本発明においては、バイナリマスクの遮光膜パターンのエッジ形状のテーパー角を最適化することにより、バイナリマスクの有する結像性能を高め、露光裕度の向上を図るものである。そのために、露光における照明条件と評価条件を設定し、三次元リソグラフィシミュレーションを使用してバイナリマスクの好ましい形態を求めた。
【００２９】
（ｋ1およびパターン寸法）
まず、本発明のマスクパターンのエッジ形状がテーパー状に形成されているバイナリ型のフォトマスクが効果を示すフォトリソグラフィの適用領域を、プロセス定数ｋ1の範囲としてシミュレーションから求めた。
【００３０】
シミュレーションには、以下の条件を用いた。シミュレータとしてＥＭ−Ｓｕｉｔｅ  Ｖｅｒｓｉｏｎ  ｖ６．００（商品名：Ｐａｎｏｒａｍｉｃ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社製）を用い、シミュレーション・モードには三次元電磁界シミュレーションのＴＥＭＰＥＳＴ（ＥＭ−Ｓｕｉｔｅオプション）によるＦＤＴＤ法（時間領域差分法、有限差分時間領域法とも称する。）を用いた。露光波長は１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザで、投影レンズの開口数（ＮＡ）を１．３５とし、純水を用いた液浸露光とした。ウェハ上に転写したときのピッチは、８０、９０、１１０、１３０、１５０、１８０、２２０ｎｍとし、ターゲット寸法は各々のピッチにおけるハーフピッチとした。解像性能評価にはＡｅｒｉａｌ  ｉｎ  Ｒｅｓｉｓｔモデルを使用し、レジストの屈折率ｎは１．７、消衰係数ｋは０、液浸露光に用いられる液体の屈折率ｎは１．４、消衰係数ｋは０とした。バイナリマスクの遮光膜は、表面を酸化させて低反射層を設けたクロム（Ｃｒ）の２層膜とし、膜厚は７３ｎｍとした。
【００３１】
図４は、ピッチ８０ｎｍのときに上記のシミュレーション条件により得られた、マスクパターンのテーパー角（ＳＷＡ）θが９０度、６０度、３０度のときの定数ｋ1とＮＩＬＳとの関係を求めた図である（注：ｈｐ４０ｎｍで照明形状をFittingした際のシミュレーション結果）。図４に示されるように、ＳＷＡが９０度である従来のバイナリマスクにおけるＮＩＬＳの値に対し、テーパー角（ＳＷＡ）が６０度、３０度のときのＮＩＬＳの値が大きく転写特性向上の効果が得られる定数ｋ1の範囲は、少なくとも０．５４５以下の場合である。
【００３２】
上記のように、ウェハ上へのパターン転写において、マスクパターンの立体効果の影響が露光裕度に生じてくるのは、数式（１）に関わるフォトリソグラフィにおいて、定数ｋ1が０．５４５以下であり、特に半導体素子のデザインルールが４５ｎｍノード以下のパターンを形成する場合である。ｋ1が０．５４５を超えるフォトリソグラフィの場合には、投影レンズにＮＡが１未満のＮＡの小さいレンズを用いて露光を行うことも可能なので、露光裕度も大きくなり、本発明によるパターン断面がテーパー状のバイナリマスクと従来技術によるパターン断面が矩形状のバイナリマスクとの差は顕著ではなく、図４に示すように、ｋ1が０．５８以上では逆転してＳＷＡが９０度である従来のバイナリマスクの方がＮＩＬＳの値は大きくなる。したがって、本発明のテーパー形状を有するバイナリマスクが効果を示すフォトリソグラフィの適用領域は、プロセス定数ｋ1が０．５４５以下の範囲とするものである。
【００３３】
本発明のフォトマスクは、特に高ＮＡレンズによる露光が必要なウェハ上のハーフピッチ４５ｎｍ以下の半導体デバイス用のマスクパターンを有するバイナリマスクに適用するのがより好ましい。本発明において、高ＮＡレンズとは、ＮＡが１以上のレンズを意味するものである。
【００３４】
（リソグラフィ条件）
次に、本発明のテーパー形状を有するバイナリマスクがより効果を示す条件を、さらにシミュレーションにより求めた。
シミュレーション条件としては、ウェハ上に転写したときにピッチ８０ｎｍ、ターゲット寸法４０ｎｍのパターンを形成するフォトリソグラフィにおいて、露光波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザを用い、投影レンズの開口数（ＮＡ）を１．３５とし、純水を用いた液浸露光を用いた。実施形態の一例としてＮＡが１．３５の高ＮＡレンズを用いた場合について説明するが、本発明のバイナリマスクにおいては、ＮＡが１．３５に限定されるわけではなく、ｋ1が０．５４５以下となるレンズであれば同様に露光裕度の改善効果が得られるものである。バイナリマスクの遮光膜は、上記のように、表面低反射層を設けたクロム（Ｃｒ）の２層膜とし、膜厚は７３ｎｍとした。また、定数ｋ1は、０．２８とした。
【００３５】
本実施形態の照明系としては、変形照明手段としてクェーサー型の四重極の瞳フィルタを用いた四重極照明を設定した。四重極瞳フィルタの４つの光透過部は、ＸＹ軸上に瞳中心からの開口角が３０度の扇型（ＸＹ−Ｐｏｌａｒ）をなし、瞳フィルタの半径を１としたとき、瞳中心からの距離の外径を０．９８、内径を０．８とした。四重極照明を用いたのは、四重極照明は縦・横のパターンが同時に解像でき、二重極照明に比べて普遍性が高くて一般的なマスクパターン転写に適用できるからである。ただし、四重極照明は実施形態の好ましい一例として用いたものであり、本発明のバイナリマスクにおいては、照明形状に制約されることはなく、四重極照明以外の他の照明系においても同様に露光裕度の改善効果が得られるものである。
【００３６】
（評価方法）
バイナリマスクの評価方法としては、上記と同じく、シミュレーション・ソフトウェアとしてＥＭ−Ｓｕｉｔｅ  Ｖｅｒｓｉｏｎ  ｖ６．００（商品名：Ｐａｎｏｒａｍｉｃ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社製）を用い、三次元電磁界シミュレーション・モードにはＴＥＭＰＥＳＴによるＦＤＴＤ法を用いた。解像性能評価にはＡｅｒｉａｌ  ｉｎ  Ｒｅｓｉｓｔモデルを使用し、レジストの屈折率ｎは１．７、消衰係数ｋは０、液浸露光に用いられる液体の屈折率ｎは１．４、消衰係数ｋは０とした。
上記のシミュレーション条件により、マスクパターンのエッジのテーパー角を１０度から９０度まで１０度ごとに変えたときの、マスクパターンのラインバイアスとウェハ上へのパターン転写におけるＮＩＬＳとの関係を求めた。
【００３７】
（評価結果）
図５は、バイナリマスクの断面形状にテーパー状の角度を付けたときのラインバイアス（横軸）とウェハ上へのパターン転写におけるＮＩＬＳ（縦軸）とのシミュレーション結果を示す図である。マスクパターンのエッジのテーパー角は、１０度から９０度までの範囲で１０度ごとに変えており、ラインバイアスの値はマスクパターンを１倍体（１Ｘ）に換算した場合を示し、ラインバイアスを−２０ｎｍ〜４０ｎｍの範囲内で変えたときのＮＩＬＳの値を示す。
【００３８】
図５に示されるように、マスクパターンのエッジのテーパー角（ＳＷＡ）θが１０度から９０度までの間で、θが９０度の場合はマスクパターンの断面形状が矩形断面形状の場合であり、従来のバイナリマスクに相当し、ＮＩＬＳの最大値は１．９１５を示す。一方、θが９０度より小さくなる、すなわち、テーパー角度がつくことによりＮＩＬＳの値は徐々に大きくなり、θが６０度以下ではＮＩＬＳの値は２前後となり、露光裕度が向上する。しかし、θがさらに小さくなり２０度の場合には、θが９０度の場合よりもＮＩＬＳの値は低下する。図５に示されるように、テーパー角度θが小さくなるにともない、各々の角度におけるＮＩＬＳの最大値を示すラインバイアスは、よりプラス側にシフトしていく。
【００３９】
図６は、マスクパターンのエッジのテーパー角（ＳＷＡ）θを変えたときの各々の角度におけるＮＩＬＳの最大値を比較した図である。図６において、テーパー角θが９０度の場合が従来のバイナリマスクを示し、ＮＩＬＳの最大値は１．９１５である。テーパー角θが９０度の場合のＮＩＬＳをベースライン（図６の破線）として比較すると、露光裕度を示すＮＩＬＳを従来のバイナリマスクより向上させるには、ベースラインのＮＩＬＳよりも大きい値が求められ、図６よりテーパー角θは、２２．５度＜θ＜９０度の範囲内の角度が求められる。したがって、本発明においては、マスクパターンのエッジのテーパー角θが、透明基板に対して、２２．５度＜θ＜９０度の範囲内であるのが好ましい。
【００４０】
図５には示してないが、テーパー角θが９０度以上の場合には、ＮＩＬＳが小さくなるだけでなく、マスクパターンの断面形状が逆台形状となり、マスク製造が困難であり、パターンのエッジが露光光の障害となり、またパターンエッジが破損し易く、フォトマスクとして不適である。一方、テーパー角θが２２．５度以下の角度では、断面形状が台形状となる遮光膜パターンの上面部が小さくなり、またバイアスを大きくすることにより隣接するパターンとの間隔が狭くなるという問題を生じ、フォトマスクとして不適である。
【００４１】
図７は、縦軸にマスクパターンのテーパー角（ＳＷＡ）θを１０度ごとに１０度〜９０度の範囲で、横軸にマスクパターンのラインバイアスを１倍マスクに換算して４ｎｍごとに−２０ｎｍ〜４０ｎｍ（１倍）の範囲で取ったときの、ウェハ上へのパターン転写におけるＮＩＬＳの値の比較を示す図（２Ｄグラフ）である。図７において、ＮＩＬＳは等高線状に１．６５〜２．１５の領域で、０．０５ごとに１０領域に区分されている。従来のバイナリマスクを示すテーパー角θが９０度の場合、ラインバイアスを０として、このときのＮＩＬＳの最大値は１．９１５である。
【００４２】
図７において、露光裕度をさらに向上させるために、ＮＩＬＳのより好ましい値を１．９５より大きい値と設定すると、エッジのテーパー角θが、２５度≦θ≦６３度の範囲内のパターンが含まれる。ＮＩＬＳを１．９５以上の大きい値とすることにより、フォトリソグラフィにおける露光裕度がさらに向上し、ウェハ歩留が高くなるという効果が著しくなる。したがって、本発明のバイナリ型のフォトマスクにおいては、マスクパターンのエッジのテーパー角θのより好ましい範囲を、２５度≦θ≦６３度の範囲内とするものである。
【００４３】
図５に示されるように、本発明のバイナリマスクは、パターンのエッジのテーパー角θが２２．５度＜θ＜９０度の範囲において、１：１ライン／スペースからラインバイアスをプラス側としたパターンであることを特徴とするものである。ラインバイアスをプラス側とすることは、マスクパターン寸法を太い側によせることであるため、フォトマスク製造はより容易になるという利点が生じる。
【００４４】
次に、マスクパターンのラインバイアスの好ましい範囲について説明する。図８は、マスクパターンのテーパー角（ＳＷＡ）θが９０度〜１０度の範囲で、ラインバイアスが１倍マスクに換算して−２０ｎｍ〜４０ｎｍ（１倍）の範囲において、テーパー角θが９０度のＮＩＬＳの最大値（１．９１５）よりＮＩＬＳが大きい領域を示す図（２Ｄグラフ）である。図８の黒い領域が、テーパー角θが９０度のＮＩＬＳ最大値より、さらにＮＩＬＳの値が大きい領域を示し、ラインバイアスはマスクを１倍体に換算した場合に、８ｎｍ〜３６ｎｍの範囲となる。フォトマスク（レチクル）は、通常は４倍体で用いられるので、ＮＩＬＳの値を向上させるために、エッジのテーパー角を２２．５度＜θ＜９０度の範囲とすると、図８より、マスクパターンのラインバイアスは、４倍体のフォトマスク上で３２ｎｍ〜１４４ｎｍの範囲にあるのが好ましい。
【００４５】
（テーパー角を有するバイナリマスクの作用効果）
次に、本願発明のバイナリマスクのパターンのエッジ形状をテーパー状とすることによる作用効果について、さらに詳しく説明する。
【００４６】
上記の作用効果を説明するために、フォトマスクの転写性能を示す評価指標としては、ウェハ上へのパターン転写におけるコントラスト（Ｃｏｎｔｒａｓｔ）を用い、パターンのテーパー角（ＳＷＡ）θが、９０度（従来のフォトマスクの場合）、６０度、３０度の場合におけるコントラストをシミュレーションにより比較した。シミュレーション条件は、上記のリソグラフィ条件、評価方法に述べた条件と同じである。
【００４７】
図９は、テーパー角（ＳＷＡ）θが、９０度、６０度、３０度におけるコントラスト（縦軸）とマスクパターンのラインバイアス（横軸）との関係を示す。図９に示されるように、ＳＷＡが９０度の場合に比較して、６０度、さらに３０度の場合には、コントラストの最大値は増加している。また、コントラストの最大値を示すバイアスは、９０度、６０度、３０度において、それぞれ１２ｎｍ、２４ｎｍ、３６ｎｍと、よりプラスバイアス側にシフトしている。コントラストが高くなると、露光裕度が大きくなり、転写されるパターンのラインのエッジ・ラフネスが良化し、フォトリソグラフィ工程の歩留まりが改善される。
【００４８】
ここで、バイナリマスクのパターンがテーパー角（ＳＷＡ）を有することでコントラストの最大値が増加した要因について解析する。
図１０は、本発明の一実施形態として、照明光学系に四重極（Ｃｑｕａｄ）の瞳フィルタを用いたときのマスクパターンにより生ずる回折光を示す模式図である。本実施形態においては、マスクパターンが１対１のラインとスペース（Ｌ＆Ｓ）のパターンであって、ＡｒＦエキシマレーザを露光光源とする照明光をフォトマスクに照射したとき、マスクパターンによる回折光が、図１０に示されるように、Ｘ方向位置から照射された０次光（０ｔｈ（Ｘ））、１次光（１ｓｔ（Ｘ））、そしてＹ方向から照射された０次光（０ｔｈ（Ｙ））を解析に用いる。
【００４９】
図１０において、Ａを振幅、Ａ2を光強度とし、回折光の０次光の振幅をＡ0th、１次光の振幅をＡ1st、Ｘ方向の０次光と１次光の位相差ずれ（ｐｈａｓｅ  ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）をφとし、回折光のＸ方向の０次光の光強度をＡ0th(X)2、１次光の光強度をＡ1th(X)2、回折光のＹ方向の０次光の光強度をＡ0th(Y)2とする。
【００５０】
図１１は、ウェハ上の位置（ｗａｆｅｒ−ｐｏｓｉｔｉｏｎ）を横軸、光強度（Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）を縦軸にとったウェハ上へのパターン転写におけるコントラストの説明図である。図１１において、ウェハ上の光強度の頂点の値をＩｎｔｅｎｓｉｔｙ  ｔｏｐ、光強度の底の値をＩｎｔｅｎｓｉｔｙ  ｂｏｔｔｏｍとする。
【００５１】
図１１に示すように、光強度（Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）の（ｔｏｐ−ｂｏｔｔｏｍ）の半分がＸの０次×1次×ｃｏｓ（φ）、（ｔｏｐ＋ｂｏｔｔｏｍ）の半分がＸの０次、１次とＹの０次光の２乗和の半分となっていることから、ウェハ上のコントラスト（Ｃｏｎｔｒａｓｔ）は下記の数式（４）で表される。
【数４】
0005668356.tif 000005
【００５２】
図１２は、テーパー角（ＳＷＡ）θを変えたとき、回折光の振幅および位相差とコントラスト（Ｃｏｎｔｒａｓｔ）の強度比（規格化）を示す図である。ＳＷＡは、９０度、６０度、３０度であり、横軸に各々の角度における回折光のＸ方向の０次光の振幅Ａ0th(X)、１次光の振幅Ａ1st(X)、回折光のＹ方向の０次光の振幅Ａ0th(Y)、Ｘ方向の０次光と１次光の位相ずれ量ｃｏｓ（φ）、およびコントラスト（Ｃｏｎｔｒａｓｔ）の強度比を示す。
図１２に示されるように、振幅はテーパー角度が小さくなるにともなっていずれも減少し、位相ずれ量はテーパー角度による変化が認められず、コントラストはテーパー角度が小さくなるにともなって増加する。
【００５３】
さらにテーパー角度の作用効果を調べるために、次に、上記の数式（４）のコントラストの式を下記の３項目に分けて評価した。
（ｉ）Ｘ方向の０次光と１次光の位相ズレ量（位相差）を、ｃｏｓ（φ）の値として評価する。
（ｉｉ）Ｘ方向の０次光と１次光の振幅（強度）差を、下記の数式（５）により、相加相乗平均の値として評価する。
【数５】
0005668356.tif 000006
（ｉｉｉ）Ｘ方向の光強度とＹ方向の光強度の関係を、下記の数式（６）により評価する。
【数６】
0005668356.tif 000007
【００５４】
図１３は、上記の３項目の評価結果である。ＳＷＡ９０度の値を基準として規格化し、上記の評価項目（ｉ）、（ｉｉ）、（ｉｉｉ）とコントラストを横軸にとり、ＳＷＡ９０度、６０度、３０度の場合において比較した図である。９０度を基準にして、テーパー角度（ＳＷＡ）が６０度、３０度とより小さい角度になるにしたがって、コントラスト（Ｃｏｎｔｒａｓｔ）比は大きくなる。コントラスト比は、９０度：６０度：３０度＝１：１．０４：１．１３である。
【００５５】
図１３に示されるように、評価項目（ｉ）に関して、ｃｏｓ（φ）の比は、９０度を基準にして、ＳＷＡの角度の相違による差は無い。したがって、回折光の位相ズレはコントラスト向上の要因ではない。また、評価項目（ｉｉ）に関して、相加相乗平均の数式（５）の比は、９０度を基準にして、ＳＷＡの角度の相違による差は無い。したがって、回折光の振幅差はコントラスト向上の要因ではない。
【００５６】
評価項目（ｉｉｉ）に関して、Ｘ方向の光強度とＹ方向の光強度の関係を示す数式（６）の比は、９０度を基準にして、テーパー角度（ＳＷＡ）が６０度、３０度とより小さい角度になるにしたがって大きくなっている。したがって、（Ａ0th(X)2＋Ａ1th(X)2）／Ａ0th(Y)2の比が、コントラスト向上の要因であり、テーパー角度（ＳＷＡ）がつくことによりコントラストが増加した要因は、Ｙの光強度に対してＸの光強度が高くなることによると解釈される。
【００５７】
図１４は、テーパー角（ＳＷＡ）θの効果の説明図であり、ＡｒＦエキシマレーザを露光光源とする露光光は、瞳フィルタ（Ｃｑｕａｄ）を通ってバイナリ型フォトマスクに入射する。上記に説明したように、マスクパターンのエッジ形状にテーパー角（ＳＷＡ）を設けることにより、回折光のＹ方向の０次光０th（Y）に対して、Ｘ方向の０次光０th（Ｘ）と１次光１st（Ｘ）の強度が高くなり、ウェハ上に転写されるパターンのコントラストを増加させ、露光裕度を向上させる効果をもたらすものである。すなわち、マスクパターン断面をテーパー形状とすることにより射影効果が減少し、ウェハ上へのパターン転写特性を向上させていると推測される。
【００５８】
（フォトマスク構成材料）
次に、本発明のフォトマスクを構成する材料について説明する。
図１に示す本発明のバイナリマスク１０を構成する透明基板１１としては、従来公知の露光光を高透過率で透過する光学研磨された合成石英ガラス、蛍石、フッ化カルシウムなどを用いることができるが、通常、多用されており品質が安定している合成石英ガラスがより好ましい。
【００５９】
図１に示す本発明のバイナリマスク１０を構成する遮光膜パターン１２としては、従来公知の遮光膜を単層もしくは低反射層を設けた２層以上の薄膜層でパターンを形成したマスクである。遮光膜としては、例えば、クロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）などから選択された金属元素のいずれか１種を主成分とする薄膜、あるいは上記金属元素の窒化物、酸化物、または酸化窒化物のいずれかを主成分とする薄膜、あるいはモリブデンシリサイド（ＭｏＳｉ）薄膜などが挙げられる。上記の遮光膜パターンの膜厚は、５０ｎｍ〜１５０ｎｍ程度の範囲で用いられる。
【００６０】
（フォトマスクの製造方法）
次に、マスクパターンの断面形状に角度をつける本発明のフォトマスクの製造方法について説明する。本発明のフォトマスクの製造方法は、遮光膜上にハードマスクを設け、このハードマスクを用いて遮光膜をテーパー状にエッチングしてマスクを形成する方法である。以下、本発明のフォトマスクの製造方法について図面を用いて説明する。
【００６１】
本発明のフォトマスクの製造方法は、ＡｒＦエキシマレーザを露光光源とし、露光光の波長をλ、投影レンズの開口数をＮＡ、ウェハ上に転写される最小のパターン寸法をＲ、定数をｋ1としたときに、Ｒ＝ｋ1・λ／ＮＡの関係が成り立ち、上記ｋ1が０．５４５以下であり、瞳フィルタを用いた変形照明により液浸露光するフォトリソグラフィ技術に用いられるフォトマスクの製造方法において、上記フォトマスクが透明基板上に露光光を遮光する遮光膜でマスクパターンを形成したバイナリ型のフォトマスクの製造方法である。
図１５は、本発明のフォトマスクの製造方法の一例を示す工程断面図である。
【００６２】
先ず、図１５（ａ）に示すように、透明基板１５１上に形成された遮光膜１５２ａ上に、遮光膜１５２ａをエッチングする際に使用するハードマスク層１５３ａを備えたフォトマスクブランクスを準備し、このハードマスク層１５３ａ上に、電子線レジスト１５４ａを塗布する。
【００６３】
ハードマスク層１５３ａは、遮光膜１５２ａとのエッチングの選択比が十分に取れる耐エッチング性を有する必要があるとともに、エッチング完了後には容易に取り除くことができることが好ましい。例えば、クロム（Ｃｒ）、酸化クロム（ＣｒＯ）、窒化クロム（ＣｒＮ）、酸窒化クロム（ＣｒＮＯ）などのＣｒおよびＣｒ系化合物を遮光膜１５２ａとする場合には、ハードマスク層１５３ａの材料としては、例えば、酸化タンタル（ＴａＯ）、酸窒化タンタル（ＴａＮＯ）、酸化硼化タンタル（ＴａＢＯ）、酸窒化硼化タンタル（ＴａＢＮＯ）などの酸素を含むタンタル化合物、あるいは酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）などが挙げられる。ハードマスク層として、酸素を含むタンタル化合物、あるいは酸窒化シリコンは、フッ素系ガスのプラズマでドライエッチングできるとともに、ＣｒおよびＣｒ系化合物のドライエッチングに用いる塩素と酸素の混合ガスのプラズマに対して強い耐性をもつからである。パターンの解像性を高めるために、ハードマスク層は、膜厚５ｎｍ〜５０ｎｍ程度の範囲で用いるのが好ましい。
【００６４】
次に、図１５（ｂ）に示すように、上記電子線レジスト１５４ａを電子線描画装置でパターン描画して、被転写体に対する転写パターンとなる遮光膜パターンを形成するためのレジストパターン１５４を形成する。
【００６５】
次に、レジストパターン１５４をマスクにして、ハードマスク層１５３ａをドライエッチングし、図１５（ｃ）に示すように、ハードマスクパターン１５３を形成した後、レジストパターンを酸素プラズマなどで剥離除去する。
【００６６】
ここで、図１５（ｃ）のレジストパターン１５４を除去した後、ハードマスクパターン１５３の検査を行い、もしも欠陥がある場合にはハードマスク層を用いて欠陥の修正を行うのが好ましい。欠陥修正をハードマスク層で行うことにより、集束イオンビーム（ＦＩＢ）などの修正による透明基板へのイオン打ち込みによるダメージを避けることができ、高品質のマスク製造が可能となる。修正方法としては、ＦＩＢ、ガスアシストによる電子ビーム（ＥＢ）による修正、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）による修正のいずれの方法も適用することができる。
【００６７】
次に、ハードマスクパターン８３をマスクにして遮光膜１５２ａをドライエッチングし、遮光膜のマスクパターンのエッジ形状をテーパー状に形成して、図１５（ｄ）に示すように、遮光膜パターン１５２を形成する。Ｃｒ系の材料からなる遮光膜１５２ａのドライエッチングには、塩素と酸素との混合系のガスが用いられ、酸素を含むタンタル化合物、あるいは酸窒化シリコンからなる遮光膜１５２ａのドライエッチングには、フッ素系ガス、例えば、ＣＦ4、ＣＨＦ3などのガスを用いたプラズマでドライエッチングできる。
【００６８】
次に、ハードマスクパターン１５３をマスクとして遮光膜１５２ａをドライエッチングするが、遮光膜１５２ａをドライエッチングする工程において、ハードマスクパターン１５３を形成したフォトマスクブランクスにバイアスパワーを印加し、このバイアスパワーを利用して、ハードマスクパターン１５３の端部をテーパー状にし、図１５（ｄ）に示すように、所定のテーパー角度を持つ遮光膜パターン１５２を形成する。遮光膜１５２ａがＣｒ系の材料からなる場合のドライエッチングには、塩素と酸素との混合系のガスが用いられる。
【００６９】
上記のように、本発明のフォトマスクの製造方法は、ハードマスクパターンを形成したフォトマスクブランクスに印加したバイアスパワーを利用して、テーパー角を持つ遮光膜パターン１５２を作成するものである。図１６に示すような従来のレジストのみを用いた遮光膜のエッチング方法では、レジストがエッチングダメージを受けて後退しながら、遮光膜がサイドシフトするために所望のテーパー角を得るのが困難であった。本発明の製造方法では、透明基板１５１に印加するバイアスパワーを調節し、ハードマスクを後退させずに、遮光膜をサイドシフトさせることにより、遮光膜パターン１５２のテーパー角度を調節することができる。
【００７０】
遮光膜パターン１５２は、射影効果を防止もしくは低減するためにテーパー角度を有するので、遮光膜パターン１５２の断面は、台形形状であるのが好ましい。本発明の製造方法は、パターンの種類やパターン密度、パターンのマスク面内位置に依存することが少ないので、マスク面内全域にわたって、遮光膜パターンの断面形状のばらつきが小さく、制御性良く均一なテーパー角を有する遮光膜パターンを得ることが可能であるという効果を奏する。
【００７１】
本発明において、遮光膜のドライエッチングに用いられる装置としては、ソースパワーとは独立してバイアスパワーを印加し制御できる装置が好ましく、例えば、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ）型ドライエッチング装置あるいはＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）プラズマ型ドライエッチング装置などが挙げられるが、ＩＣＰ型ドライエッチング装置がバイアスパワーの制御が容易でより好ましい。ＩＣＰ型ドライエッチング装置は、エッチング容器の外壁面もしくは内部に設けたコイル状の電極アンテナに高周波電流を流すことでプラズマを発生し、さらにエッチング対象の被加工基板の近傍に電極を設けて高周波電流を流してプラズマイオンのエネルギーを制御してエッチング特性を制御する。本発明において、プラズマを発生させる高周波などの電力をソースパワーと言い、バイアスパワーとは基板を載せる下部電極にかける高周波電力を意味するものであり、バイアスパワーによってイオンエネルギーを制御するものである。
【００７２】
次に、ハードマスクパターン１５３をエッチングして除去し、図１５（ｅ）に示すように、パターンのエッジ形状がテーパー状に形成された遮光膜パターン１５２を有する本発明のバイナリ型のフォトマスク１５０が得られる。
次に、実施例により本発明をさらに詳しく説明する。
【実施例】
【００７３】
光学研磨された大きさ６インチ角（厚さ０．２５インチ）の合成石英基板の一方の主面上に、ＤＣマグネトロンスパッタ法により、Ａｒガス雰囲気下で、Ｃｒターゲットを用いてＣｒ膜を７３ｎｍ成膜し、Ｃｒ遮光膜を有するフォトマスクブランクスを作製した。
【００７４】
次に、このフォトマスクブランクスの遮光膜Ｃｒ上に、ＤＣマグネトロンスパッタ法により、ＳｉＯＮターゲットを用いてＡｒガス雰囲気下で、ＳｉＯＮ膜を１０ｎｍの厚さに成膜し、ハードマスク層とした。
【００７５】
次に、このＳｉＯＮハードマスク層を有するマスクブランクスを用い、電子線レジストを塗布し、電子線描画装置でパターン描画し、ウェハ上に転写されたときにハーフピッチ４０ｎｍのパターンとなるレジストパターンを形成した。
【００７６】
次に、レジストパターンをマスクにして、フッ素系ガスによりＳｉＯＮハードマスク層をドライエッチングし、ＳｉＯＮハードマスクパターンを形成した。
【００７７】
次いで、レジストパターンを除去した後、ＩＣＰ型ドライエッチング装置を用い、ＳｉＯＮハードマスクパターンをマスクにして、ハードマスクパターンを形成したフォトマスクブランクスにバイアスパワーを印加しながら、Ｃｒ遮光膜を塩素と酸素の混合ガスを用いてエッチングし、遮光膜パターンを形成した。目標とするＮＩＬＳは２．０、Ｃｒ遮光膜パターンのエッジのテーパー角は５０度とした。
【００７８】
次に、ＳｉＯＮハードマスクパターンをフッ素系ガスによりドライエッチングして除去し、Ｃｒバイナリマスクを形成した。上記のバイナリマスク製造工程の後、バイナリマスクを最終的に検査し、所定のテーパー角度を持ち、ウェハ上に転写されたときにハーフピッチ４０ｎｍのパターンを形成するＣｒ遮光膜パターンを有するバイナリ型のフォトマスクが得られた。Ｃｒ遮光膜パターンは厚さ７３ｎｍで、パターン断面が台形状をなす４倍体のフォトマスクのパターンのテーパー角は５０度、４倍体なのでパターンピッチは３２０ｎｍ、パターン底面寸法はラインバイアス８０ｎｍを含めて２４０ｎｍであつた。本実施例の製造方法により、パターンの種類によらず均一なテーパー形状の遮光膜パターンを有するバイナリマスクが得られた。
【００７９】
次に、上記のＣｒバイナリマスクを用いてフォトレジストを塗布したシリコンウェハに、波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザを露光光源とし、また、定数ｋ1が０．２８であり、ＮＡが１．３５で四重極瞳フィルタを用いた変形照明により液浸露光し、現像し、ウェハ上にピッチ８０ｎｍ（ハーフピッチ４０ｎｍ）、ターゲットＣＤ４０ｎｍのレジストパターンを形成した。本実施例のバイナリマスクを用いることにより、露光時の露光裕度は従来のテーパー角９０度のＣｒバイナリマスクに比べて５％向上し、ウェハのフォトリソグラフィ工程の歩留が高められた。
【符号の説明】
【００８０】
１０  フォトマスク
１１  透明基板
１２  遮光膜パターン
２０ａ  従来のフォトマスク
２０ｂ  本発明のフォトマスク
２１  透明基板
２２ａ  遮光膜パターン
２２ｂ  遮光膜パターン
３０  フォトマスク
３２  遮光膜パターン
３３  バイアス補正した遮光膜パターン
１５０  フォトマスク
１５１  透明基板
１５２ａ  遮光膜
１５２  遮光膜パターン
１５３ａ  ハードマスク層
１５３  ハードマスクパターン
１５４ａ  レジスト層
１５４  レジストパターン
１７１  透光性基板
１７２  遮光膜
１７３  反射防止膜
１７４  レジスト膜
【図１】
0005668356.tif 000008
【図２】
0005668356.tif 000009
【図３】
0005668356.tif 000010
【図４】
0005668356.tif 000011
【図５】
0005668356.tif 000012
【図６】
0005668356.tif 000013
【図７】
0005668356.tif 000014
【図８】
0005668356.tif 000015
【図９】
0005668356.tif 000016
【図１０】
0005668356.tif 000017
【図１１】
0005668356.tif 000018
【図１２】
0005668356.tif 000019
【図１３】
0005668356.tif 000020
【図１４】
0005668356.tif 000021
【図１５】
0005668356.tif 000022
【図１６】
0005668356.tif 000023